馬曉君，桑 路，王樹元，石曉丹，竇志奇，劉 哲

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008）

0 引言

伴隨著智能電網(wǎng)的深入建設(shè)，眾多新建電站、設(shè)備改造電站也在自動化和信息化時(shí)代的帶動下，向智能化方向邁進(jìn)。IEC61850由于其眾多的優(yōu)點(diǎn)，如通信的無縫連接、自動化性能自定義規(guī)范化等，已在智能化變電站中取得了巨大的成功，也驗(yàn)證了將不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備高效連接成為一個(gè)整體的方案是可行的，并且使得這些設(shè)備具備良好的互操作性，也因此使得IEC61850成為目前智能化水電廠建設(shè)中首選的通信協(xié)議。

1 IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)概述

IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)的全稱是變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)(Communication Networks and Systems in Substations)，它規(guī)范了變電站內(nèi)智能電子設(shè)備（IED）之間的通信行為和相關(guān)的系統(tǒng)要求[1]。

IEC61850 的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品之間能夠互操作；滿足變電站自動化系統(tǒng)（SAS）功能和性能的要求、靈活配置，將功能自由分配到裝置中。

為達(dá)到這些目的，IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)一方面采用面向?qū)ο蠼５姆绞?，使得電站自動化設(shè)備的模型中包含了大量自描述信息；另一方面，標(biāo)準(zhǔn)定義了完善的信息交換格式和信息交換行為，使得通信雙方可以以標(biāo)準(zhǔn)的方式相互獲得配置信息[2]。

2 EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)IEC61850通信介紹

EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)是廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司研發(fā)的第六代勵(lì)磁系統(tǒng)。依托高性能、高可靠的嵌入式計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺，采用分布式控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的操作、顯示、狀態(tài)和故障監(jiān)測等智能一體化[3]。為了適應(yīng)完整的智能化水電廠建設(shè)需求，在現(xiàn)有EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)的硬件平臺架構(gòu)基礎(chǔ)上添加了 IEC61850軟件協(xié)議棧，以此實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)以IEC61850為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對外通信，響應(yīng)請求時(shí)間間隔<100 ms。

EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)IEC61850通信可實(shí)現(xiàn)遙測(MV : measurable value)、遙 信(SPS : single point status)、遙控(SPC : controllable single point)、遙調(diào)(APC : controllable analog process value)4個(gè)部分。遙測信息包含機(jī)端電壓、勵(lì)磁電流等測量值；遙信信息包含勵(lì)磁系統(tǒng)通道運(yùn)行、手自動方式等開關(guān)量；遙控包含勵(lì)磁系統(tǒng)開停機(jī)等控制信息；遙調(diào)則是包含無功調(diào)節(jié)、參數(shù)調(diào)節(jié)等設(shè)定值設(shè)定。遙測和遙信采用報(bào)告形式輸出，每條報(bào)告最多100個(gè)信號。

2.1 IEC61850通信建模

以IEC61850 Ed2.0版本為基礎(chǔ)，根據(jù)IEC 61850-7-500-2010、IEC 61850-7-501-2010 定 義的基本LN類和CDC類為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，即每個(gè)需要通信的最小功能按一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)LN（logical node，LN）建模，再將這些邏輯節(jié)點(diǎn)分配給相應(yīng)的邏輯設(shè)備LD（logical device，LD）。勵(lì)磁主要的LD包含公用LD，實(shí)例名為“LD0”、測量LD，實(shí)例名為“MEAS”、保護(hù)LD，實(shí)例名為“PORT”、控制LD，實(shí)例名為“CTRL”，各種不同的LD設(shè)備最終構(gòu)成智能電子設(shè)備IED（Intelligent Electronic Device，IED）[4]，如圖1所示。最終生成實(shí)例配置文件server.cid。

圖1 IED模型

2.2 IEC61850通信實(shí)現(xiàn)的MMS服務(wù)器配置

MMS服務(wù)器配置由3部分組成:IED配置單元（IEC61850 Server Setting Unit）、通 信 配 置 單 元（Communication Setting Unit）、I/O映射（I/Omapping）[5]。

IED配置單元即IEC61850通信建模章節(jié)生成的配置文件server.cid。其完整結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ICD模型

通信配置是在hw.cfg文件（hardware configure）完成。在hw.cfg中可修改網(wǎng)口IP地址子網(wǎng)掩碼網(wǎng)關(guān)、以及使能NTP對時(shí)功能等相關(guān)信息。

motetsec0subnetmask0gateway0分別對應(yīng)網(wǎng)口1的IP地址子網(wǎng)掩碼網(wǎng)關(guān)，同理，motetsec1subnetmask1gateway1對 應(yīng) 網(wǎng) 口2，motetsec2subnetmask2gateway2對應(yīng)網(wǎng)口3，ntpServer是ntp對時(shí)的時(shí)鐘源IP，ntpEnable = true,即代表投入ntp對時(shí)功能。

通過hw.cfg配置，實(shí)現(xiàn)了IEC61850客戶端與IED設(shè)備之間的數(shù)據(jù)連接。

hw.cfg部分代碼如下：

channel IIU

{

motetsec0 = "10.37.49.220"

motetsec1 = "10.1.5.2"

motetsec2 = "10.1.6.2"

ntpServer = "10.1.1.2"

mutilcast = "239.1.1.220"

subnetmask0 = "255.255.255.0"

subnetmask1 = "255.255.255.0"

subnetmask2 = "255.255.255.0"

gateway0 = "10.1.5.1"

gateway1 = "10.1.6.1"

routeip0 = "10.1.1.0"

routeip1 = "10.1.2.0"

mutilPort = 8898

mbtcpPort = 502

ntpEnable = true

mutiEnable = false

routeEable= true

debugNet = motetsec0

}

I/O映射即將HIIU寄存器中的數(shù)據(jù)映射到協(xié)議棧PIS-10，進(jìn)行程序處理，進(jìn)而完成網(wǎng)絡(luò)通信。如圖3所示。

圖3 I//O映射

最終勵(lì)磁系統(tǒng)將這些符合IEC61850定義的抽象的數(shù)據(jù)類型映射到MMS的通信報(bào)文中，通過TCP/IP協(xié)議來與上層的智能化設(shè)備通信，如圖4所示。

圖4 通信傳輸

3 IEC61850通信在公伯峽水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 IEC61850在水電站勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)IEC61850通信在公伯峽電站使用了遙測、遙信模型。

勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部使用CAN通信方式實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器、功率柜、滅磁柜數(shù)據(jù)共享，并將可靠性、實(shí)時(shí)性要求低的模擬量、開關(guān)量通過485通信送到通信協(xié)議轉(zhuǎn)換板（HIIU），可靠性、實(shí)時(shí)性要求高的模擬量、開關(guān)量通過UDP通信送到通信協(xié)議轉(zhuǎn)換板（HIIU）。在確保勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部工作穩(wěn)定可靠的情況下，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，并大量地減少了外部接線[6]，配置方案如圖5所示的。

圖5 IEC61850方案

3.2 基于IEC61850通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

該方案可采用雙網(wǎng)冗余的結(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)之間分別配置一個(gè)線路，兩線路處于不同的局域網(wǎng)中，以提高系統(tǒng)的可靠性。

也可以通過路由方式，將兩個(gè)線路處于一個(gè)局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)雙路冗余，公伯峽水電站采用的即是這種通信方案。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 公伯峽水電站勵(lì)磁至監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

HIIU為勵(lì)磁系統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換板，AB網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對外通信，IP為10.*.5.210.*.6.2。

EX-SW1EX-SW2為勵(lì)磁側(cè)兩個(gè)交換機(jī)，IP為10.*.5.110.*.6.1。

LCU-SW1LCU-SW2為監(jiān)控側(cè)兩個(gè)交換機(jī)，IP為10.*.1.110.*.2.1。

LCU-AK為監(jiān)控服務(wù)器，C4PRE1C5PRE1的IP分別為10.*.1.210.*.2.2。

上述*代表機(jī)組號，子網(wǎng)掩碼為255.255.0.0。

從圖6可知，①~⑦任一線路發(fā)生中斷，都能保證有一線路是正常工作的，保證了網(wǎng)路冗余的可靠性。

4 通信對點(diǎn)方法

使用IEC61850通信協(xié)議，靈活的配置、面向?qū)ο蟮慕７绞剑瑯O大方便了設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)大量的數(shù)據(jù)也給信號對點(diǎn)帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是開關(guān)量存在著信號模擬繁瑣的問題，傳統(tǒng)的實(shí)況模擬效率極低，不易在現(xiàn)場進(jìn)行操作。

我們利用EXC9200勵(lì)磁系統(tǒng)HIIU控制板對外同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)的ModBusTCP通信協(xié)議，來對勵(lì)磁系統(tǒng)HIIU控制板寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)量模擬。

4.1 ModBusTCP通信協(xié)議寫寄存器示例報(bào)文[7]

表1為寫數(shù)據(jù)請求的代碼及對應(yīng)的含義。

表1 寫數(shù)據(jù)請求

表2為寫數(shù)據(jù)響應(yīng)的代碼及對應(yīng)的含義。

表2 寫數(shù)據(jù)響應(yīng)

4.2 對點(diǎn)步驟

4.2.1 對點(diǎn)前的準(zhǔn)備

通過上位機(jī)調(diào)試軟件連接HIIU板件，HIIU板件第一個(gè)網(wǎng)口IP為10.37.49.220（地址可修改），設(shè)備選擇MMG#2。連接成功后執(zhí)行Relay TestMode。，屏蔽正常工況下內(nèi)部信號輸出，即將所有寄存器數(shù)據(jù)位置0。

4.2.2 對點(diǎn)

如圖7所示，通過TCP測試工具，選擇與被控制設(shè)備同一網(wǎng)段IP，點(diǎn)擊連接，如果正常連接，軟件右下方方框會顯示10.37.49.21：58948連接服務(wù)端成功，在數(shù)據(jù)發(fā)送窗口勾選十六進(jìn)制，輸入15 01 00 0000 06 ff 06 00 a3 00 01，點(diǎn)擊發(fā)送，如果發(fā)送成功，會在數(shù)據(jù)接收窗口顯示15 01 00 00 00 06 FF 06 00 A3 00 01，表示已在地址為00 A3的寄存器寫入了數(shù)據(jù)00 01，即模擬了地址為00 A3的寄存器第一位信號點(diǎn)，依此類推，我們可以通過寫入15 01 00 00 00 06 FF 06 00 A3 00 08，模擬地址為00 A3的寄存器第4位信號點(diǎn)。更換寫入其他寄存器時(shí)，可以先對之前的寄存器置零，保證信號獨(dú)立驗(yàn)證。

圖7 ModBusTCP對點(diǎn)

5 結(jié)論

IEC61850是構(gòu)造智能化、數(shù)字化水電站的重要通信標(biāo)準(zhǔn)，也有越來越多的勵(lì)磁設(shè)備廠商在系統(tǒng)中增加了對IEC61850協(xié)議的支持，利用規(guī)約轉(zhuǎn)換的方式將IEC61850通信應(yīng)用到勵(lì)磁系統(tǒng)會是一個(gè)過渡時(shí)期做法，相信在不久的將來內(nèi)部通信也會基于IEC61850通信協(xié)議進(jìn)行連接，屆時(shí)由于不同協(xié)議之間帶來的不可避免的數(shù)據(jù)延時(shí)問題也就迎刃而解。